مواد سرامیکی (خواص،کاربرد، طبقه بندی آن ها)

نویسنده: فاطمه حاجی محمدی

 

سرامیک چیست:

 

این مواد ترکیباتی بین عناصر فلزی و غیر فلزی از قبیل اکسیدها ، نیترید ها، کاربید ها و یا تک عنصری مثل الماس و گرافیت هستند. پیوندها در سرامیک ها متغیر است، ممکن است یونی، کووالانت یا خصوصیات مخلوطی از یونی – کووالانت داشته باشند. پیوند کووالانت مستحکم تر از پیوند یونی بوده و جهت دار می باشد. که باعث میشود سرامیک ها نقطه ذوب بالا و ساختاری مستحکم داشته باشند.

ریشه کلمه سرامیک از یک واژه یونانی به نام کراموس گرفته شده است که به معنای سفال یا یک شئ پخته شده است.

پس بطور کلی می توان گفت هر ماده معدنی غیر فلزی که با پخته شدن تغییر ساختاری داده و به جسم سختی تبدیل می‌شود سرامیک نام دارد.

 

 

 

تاریخچه سرامیک ها:

 

در واقع منشا پیدایش این علم همان سفالینه‌های ساخته شده توسط انسان­ های اولیه هستند.

پیش از استفاده فلزات، از گِل رس به علت فراوانی و نیز شکل‌گیری عالی آن با آب و دمای نسبتاً پایین پخت آن استفاده می شد. 

برخی آغاز استفاده و ساخت سرامیک‌ها را در حدود ۷۰۰۰ سال قبل از میلاد می‌داننددر حالی که برخی دیگر قدمت آن را تا ۱۵۰۰۰ سال قبل از میلاد نیز دانسته‌اند.

 

خواص سرامیک ها:

 

۱- دارا بودن هر دو نوع ارایش کریستالی و امورف

۲- دیرگدازی بالا و مقاومت به حرارت مثل آجر های کوره

۳- مقاومت شیمیایی و خوردگی بالا

۴- استحکام فشاری بالا و سختی زیاد

۵- به عنوان عایق الکتریکی می توان از آن ها استفاده کرد( کاربرد در شمع اتوموبیل)

۶- مقاومت در برابر تغییر شکل که باعث کرنش کم در آن می شود و به همین دلیل مدوا الاستیک بالایی دارند

۷- شفافیت نوری برای طول موج های گوناگون

 

ضعف سرامیک ها:

 

۱- استحکام کششی و چکش خواری کم

۲- ترد و شکننده هستند و در مقابل ضربه مقاومت خوبی ندارند

۳- مشکل بازیافت

۴- مشکل اتصال دهی و جوشکاری

 

انواع سرامیک:

 

سرامیک ها به دو دسته سنتی و مدرن تقسیم می شوند:

 

۱- سرامیک های سنتی:

 

سرامیک های سنتی که به ان ها سرامیک های سیلیکاتی نیز گفته می شود از مواد اولیه معمول و طبیعی مانند مواد معدنی رس و ماسه کوارتز حاصل می شوند . از طریق فرآیندهای صنعتی که قرن ها به نوعی مورد استفاده قرار گرفته است ، این مواد به محصولات آشنایی مانند ظروف چینی ، آجر سفالی و کاشی ، ششه، گچ، لعاب، ساینده های صنعتی و لنت های نسوز و سیمان پرتلند تبدیل می شوند .

مواد اولیه به کار رفته در سرامیک های سنتی در سه گروه معمول شناخته شده قرار می گیرند: خاک رس،سیلیس، فلدسپار.

 

خاک رس

 

مواد معدنی خاک رس مانند کائولینیت (Al2 [Si2O5] [OH] 4)  رسوبات زمین شناسی ثانویه هستند که با هوازدگی سنگ های آذرین تحت تأثیر آب ، دی اکسید کربن حل شده و اسیدهای آلی تشکیل شده اند. 

اهمیت کانی های رس در توسعه و فرآوری سرامیک سنتی بسیار تاثیرگذار بوده است. این مواد معدنی علاوه بر اینکه منبع اصلی آلومینوسیلیکات ها هستند، دارای ساختارهای کریستالی لایه ای هستند که به دلیل ساختار کریستالی ورقه ای شان به شکل صفحه ای با ابعاد میکرومتری هستند.

وقتی این ذرات در آب معلق یا مخلوط شوند ، مخلوط رئولوژی غیرمعمول نشان می دهد به عبارتی تحت فشار جریان می یابد. این رفتار روش های مختلفی برای تولید مانند ریخته گری  و شکل دهی پلاستیک را در اختیار ما قرار می دهد.

 

سیلیس و فلدسپار

 

سایر ترکیبات سرامیک های سنتی سیلیس و فلدسپار هستند. سیلیس ماده اصلی در نسوز و به رنگ  سفید است. معمولاً به صورت ماسه کوارتز ، ماسه سنگ یا سنگ ریزه اضافه می شود.

نقش سیلیس به عنوان  پرکننده ای است که برای انتقال استحکام از حالت  خام به محصول نهایی و حفظ استحکام  در هنگام حرارت دهی استفاده می شود و نیز حضور سیلیس باعث بهبود خواص نهایی می شود.

فلدسپار،  آلومینوسیلیکاتی هستند که حاوی سدیم، پتاسیم یا کلسیم هستند. ترکیب آن ها به صورت  NaAlSi_۳O_۸ و KAlSi_۳O_۸ تا CaAl2Si_۲O_۸ می باشد. فلدسپار به ​​عنوان عامل شاری  عمل می کند تا دمای ذوب فازهای آلومینوسیلیکات را کاهش دهد.

 

۲- سرامیک مدرن:

 

سرامیک های مهندسی ، مدرن و یا نوین ،مینرال‌های طبیعی خالص شده با ترکیب و ساختار کاملاً کنترل شده هستند که برای رفع نیازهای کاربردی که از عهده سرامیک‌های سنتی خارج است، طراحی شده اند.

خواص ویژه و مطلوب این مواد باعث شده است که کاربرد های گسترده ای در زمینه های مختلف از قبیل صنایع الکترونیک, اپتیک وغیره داشته باشد.

سرامیک‌های پیشرفته شامل کاربیدها، بریدها، نیترایدها و اکسیدها هستند. این سرامیک‌ها اغلب به دلیل مقاومت سایشی و مقاومت به خوردگی بالایی که در دماهای بالا دارند، در ساخت قطعاتی از موتورهای جت و توربین‌ها به کار می‌روند.

 

روش ساخت سرامیک ها:

 

مواد خام برای ساخت سرامیک ،خاک رس، کائولینیت،اکسید آلومینیوم، کاربید سیلیکون، کاربید تنگستن و سایر عناصر خالص به خصوص هستند ، مواد خام با آب ترکیب می شوند تا مخلوطی را درست کنند که قابل شکل و قالب گیری باشد. کار با سرامیک ها ،اغلب بعد از درست شدن سخت است، بنابراین آن ها از قبل به شکل نهایی دلخواه در آمده اند.

فرم دلخواه خشک می شود و در یک فر اجاق مانند ،حرارت داده می شود. فرآیند حرارت دادن، انرژی فراهم می کند تا زنجیره های شیمیای جدید (تبدیل به شیشه ) و گاهی اوقات مواد معدنی جدید مانند (انواع مولیت در خاک چینی در حرارت دادن چینی) تشکیل شوند. لعاب های ضد آب، تزئینی یا کاربردی ممکن است، قبل از حرارت دادن اضافه شود و یا ممکن است نیاز به اضافه شدن بعد از حرارت دادن باشد که بیشتر نیز رایج است.

حرارت دادن اولیه محصولی را تولید میکند که بیسکو نامیده می شود.حرارت دادن اولیه ،مواد آلی و آلودگی های فَرار را می سوزاند.حرارت دادن برای بار دوم یا سوم ، لعاب دادن گفته می شود.

برای اینکه سرامیک شکل دلخواه مارا بگیرد باید از قالب گیری استفاده کنیم که روش های مختلف قالب گیری عبارتند از:

 

۱- قالب گیری سرامیک با برش های عمودی

 

این روش برای اشیایی به کار می رود که تولید آن ها بوسیله ی چرخش انجام می شود مثل بشقاب و فنجان و… در این روش ماده اولیه سرامیک را در یک قالب در حال گردش می گذارند و بوسیله یک اهرم الگوی برش را بر روی ماده اولیه می گذارند و به این صورت شکل و اندازه دل خواه ما به دست می آید.

 

۲- قالب گیری با فشار

 

این روش برای اشیایی استفاده می شود که دارای سطح مقطع ثابت است مانند کاشی سرامیک و … این روش به این صورت است که ماده سرامیکی را با فشار وارد اتاقک مخلوط می کندو قالب گیری انجام شده و قطعات برش داده شده از سمت دیگر دستگاه بیرون می آیند.

 

۳- قالب گیری فشاری

 

این روش برای خمیرهای سرامیکی تر و نیمه خشک به کار می رود و به این صورت است که خمیر سرامیک را در قالب های مخصوص فشار می دهند و شکل مطلوب آن به دست می آید. آجرهای نسوز، سرامیک های مخصوص و حساس و عایق های الکتریکی (مثل سرامیک هایی که در هیترها به کار می روند) با استفاده از این روش تولید می شوند.

 

کاربرد سرامیک ها:

 

کاربید سیلیکون و کاربید تنگستن:

 

سرامیک های فنی هستند که خاصیت ضد خراش و ساییدگی بالایی دارند که آن ها را برای ساخت زره ، روکش پوشش برای کار در معدن و اجزای دستگاه مفید می کند.

 

اکسید اورانیوم :

 

سرامیکی هست که به عنوان سوخت هسته ای رادیو اکتیو استفاده می شود.

 

زیرکونیا:

 

برای ساخت تیغه ی چاقوی سرامیکی، کریستال ها ، ذرات سوخت و حسگر های اکسیژن استفاده می شود.

 

زینک اکسید :

 

یک نیمه رسانا است.اکسید بورون برای ساخت زره انسانی استفاده می شود.

 

استرونتیوم بیسموت:

اکسید مس و منیزیوم دیبورید فوق رسانا هستند.

 

استاتیت(سیلیکات منیزیم):

 

برای ساخت عایق های الکتریکی استفاده می شود.تیتانات باریم برای ساخت عامل حرارتی، خازن، مبدل و عامل نگه داری از اطلاعات استفاده می شود. مصنوعات سرامیکی برای باستان شناسی و دیرین شناسی مفید هستند .زیرا ترکیب شیمیایی شان برای تشخیص اصلیتشان می تواند استفاده شود.این نه تنها ترکیب خاک رس را شامل می شود، بلکه حالتش_ موادی که طی ساخت و خشک شدن استفاده شده را نیز شامل می شود.